垂直和平行于断层方向的脉冲参数特性分析

如何实现速度脉冲参数化并对其参数进行特性分析是一个值得深究的问题。从NGA-West2强震动数据库选取126组近断层脉冲型地震动记录,采用速度脉冲模型,基于最小二乘法拟合得到水平分量的速度脉冲模型特征参数,研究震级、断层距、场地类别对脉冲参数的影响,并对比垂直和平行断层分量脉冲参数的特性差异。结果表明:垂直断层分量的脉冲峰值随震级和断层距的变化速率均快于平行断层分量的相应值,场地条件对脉冲峰值随震级和断层距的变化规律具有较大影响;半脉冲周期与主脉冲周期存在强线性相关性,两者随震级的变化规律存在差异;当震级相同时,基岩场地上的脉冲峰值时刻小于土层场地;对于集集地震来说,较小的形状参数主要分布于靠近破裂断层处,随着断层距的增大,不同分量之间的脉冲形状参数的差异也随之变大。     

近断层竖向与水平向加速度反应谱比值特征

显著的竖向地震动是近断层地震动区别于远场地震动的重要特征之一,为更合理地确定竖向地震动作用,研究了近断层区域竖向地震动的反应谱特征及其与水平向反应谱比值的影响因素.首先,选取1952—1999年世界范围内震级在M5.4—7.6之间的18次地震的地震动记录,研究竖向地震加速度反应谱及其与水平向加速度反应谱比值特征;然后统计分析了断层距、场地条件、震级以及断层机制对竖向与水平向加速度反应谱比的影响.结果表明,一般情况下竖向加速度具有更丰富的短周期分量,并且竖向加速度反应谱衰减较慢;断层距在20km以内的近断层区域、软弱土层场地、中等震级地震和逆断层大震级中长周期范围等条件下,具有较大的竖向与水平向加速度反应谱比值;在近断层区域的结构抗震设计中应充分考虑竖向地震动的影响.     

基于小波方法的近断层地震动速度脉冲周期的统计特性

采用小波方法筛选出了180条断层距在20 km之内且PGV大于10 cm/s的具有速度脉冲特征的近断层地震波,分别对基岩和土层场地、走滑(SS)和非走滑(NSS)断层、不同脉冲峰值标准情形下近断层脉冲周期和矩震级的关系进行了统计,得到了不同情形下脉冲周期-震级经验公式回归系数,以供近场地震动速度脉冲的相关研究参考使用。结果表明:走滑断层产生的脉冲周期比非走滑断层的大,但随震级的增大情况发生变化;无论走滑断层还是非走滑断层,当震级较小时,土层场地的脉冲周期比基岩场地的大,随着震级的增加,基岩场地的脉冲周期将比土层场地的大;根据不同标准的速度脉冲峰值PGV记录,得到的周期-震级关系曲线有很大区别。     

基于多尺度分析方法的近断层地震动特性分析

近断层长周期地震动是一类较特殊的破坏性地震动.为了深入探讨近断层地震动的低频分量组成及其脉冲特性,基于小波理论中的多尺度分析方法提出了一种地震动分量分解方法,据此可将一条地震动分解成频率各不相同的多条分量.首先从频域、时域以及动态响应三个方面阐述了该分解方法的有效性和精确性.进而采用这种方法对近期12次大地震中的53条典型近断层地震动进行了分解,共获得266条地震动分量.分析了近断层地震动中的长周期分量随场地、断层距等影响因素的变化特征;再以卓越分量作为最大脉冲的简化模型,探讨了速度幅值和脉冲周期随震级、断层距的变化关系.结果表明：近断层长周期地震动主要由周期为0.2~2 s的分量组成;近断层土层场地地震动中的长周期分量比岩石场地多;在0~15 km的近断层区域,随断层距的增加,地震动中长周期分量的比重明显减小;卓越分量的速度幅值PGV_p约为原始地震动速度幅值PGV的0.6倍,且两者之间具有明显的线性关系;PGV_p随断层距的增大而减小,随震级的增大而增大;卓越分量周期T_p随震级的增大呈对数线性增大趋势.     

脉冲型地震动作用下典型珊瑚岛礁的场地放大研究

为研究南海地区珊瑚岛礁场地对地震动的放大作用特征,基于南海珊瑚岛礁几个代表性场地钻孔资料和60条近断层脉冲型强震记录,结合强震数据和土层地震反应分析结果讨论了地震动幅值水平和场地条件对场地放大的影响。根据地貌单元特性、地层岩性、成因和分布规律,得到4类工程地质场地,建立了一维土层地震反应分析模型并选取了土体动力参数,讨论了其在脉冲型地震动作用下地震反应特征。结果表明:从土层剪切波速来看珊瑚礁场地属于我国国家《建筑抗震设计规范》中的Ⅱ类场地;珊瑚礁场地对脉冲型地震动的放大倍数在1.6~2.4之间,放大明显的周期在0.2~0.8s之间。另外,对珊瑚礁礁坪区、泻湖区、沙洲区和灰沙岛区4类场地的地震反应分析表明:在脉冲型地震动作用下沙洲区场地放大倍数小于其他区;灰沙岛区在周期为0.3s左右时场地放大倍数明显大于其他区。研究结果整体反映了珊瑚礁场地对脉冲型地震动的场地放大特征,可对珊瑚礁的开发建设提供参考。     

近断层竖向地震动峰值特征

为了研究近断层区域竖向地震动的加速度峰值衰减特征和竖向与水平加速度峰值比特征,为进行近断层区域结构抗震设计和地震危险性分析等提供基础数据参考,根据1952—1999年世界范围内震级在M5．4-M7．6之间的18次地震的地震动记录提出一种同时考虑断层距和震级影响的竖向峰值加速度衰减关系,并与其他学者提出的衰减关系进行了对比分析。然后初步统计分析了竖向与水平峰值加速度比值、竖向地震动PGV／PGA比值的特征。研究结果表明,本文提出的加速度峰值衰减关系形式比较简单而且能较好地体现地震动加速度峰值的衰减变化关系;断层距在0—40km范围内相当一部分竖向与水平向峰值加速度比值大于一般抗震设计规范中规定的比值即0．65;至少对于竖向地震动而言,只将PGV／PGA〉0．2s作为识别近断层脉冲型地震动的强度指标是不够的。     

基于小波方法分析汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性

选取断层距小于200 km的64组强震记录数据,基于小波方法分析汶川地震近断层速度脉冲的地震动特性,并将此次地震中获取到的速度脉冲周期和幅值参数与Chi-Chi 地震和Northridge地震进行了比较,统计分析地震震级、距离对速度脉冲的周期和幅值参数的影响.研究表明:(1)汶川地震近断层速度脉冲具有周期长、幅值小的特点.速度脉冲周期主要分布在6~14 s之间,其中51MZQ台沿平行断层的分量脉冲周期最大为14.2 s,速度脉冲幅值与Chi-Chi 地震和Northridge地震相比明显偏小.(2) 速度脉冲记录出现在沿着地震断层破裂传播的方向上,且与地表断裂的距离都在30 km以内,这些长周期速度脉冲的形成可能主要由破裂传播的向前方向性效应引起.(3)速度脉冲的周期随矩震级呈对数线性增大,且随断层距增大有减小趋势.在矩震级小于M_w7.5时,观测到的地震动脉冲幅值为50~150 cm/s之间,与100 cm/s的典型断层滑动速率非常接近;而震级大于M_w7.5时,断层距10km范围内脉冲的幅值已经超过100 cm/s,个别记录的脉冲幅值甚至达到200 cm/s,远超过前人给出的饱和值,这可能与大的永久形变或该处土层介质条件有关.     

北京地区中硬场地对地震动加速度反应谱的放大效应研究

当前,合理确定地震动峰值加速度与反应谱特征周期是工程场地地震动参数确定工作的主要内容。本文以北京地区典型中硬场地为研究对象,分析场地条件对不同周期地震动反应谱值的影响。首先,计算不同震级、震中距条件下的基岩地震动加速度反应谱,合成基岩输入地震动时程;再利用110个工程场地的钻孔资料进行土层地震反应计算,分析中硬场地条件对不同输入环境下的地震动加速度反应谱值的放大效应。结果表明,中硬场地对高、中频震动放大效应明显,尤其是对0.2-0.5s周期段地震动加速度反应谱值的放大倍数大多在1.3以上;场地覆盖层厚度变化对不同频段地震动加速度反应谱值的放大倍数所产生的影响是不同的,与场地自振周期的相关性很强;在不同的地震动输入环境下,中硬场地对不同频段地震动加速度反应谱的影响是不同的,这一结论对实际的抗震设防工作具有一定参考价值。     

近断层脉冲型地震动的降维模拟

提出一种近断层脉冲型地震动模拟的降维方法,将近断层脉冲型地震动分解为高频和低频2个部分:采用谱表示与随机函数方法生成高频加速度时程,并转化为相应的速度时程;采用Gabor小波模拟低频速度脉冲时程,将高低频的速度时程叠加得到合成的地震动速度时程,并转化得近断层脉冲型地震动的加速度和位移时程。结果表明:用3个基本随机变量模拟的近断层脉冲型地震动时程,可以反映近断层脉冲型地震动的方向性效应、速度大脉冲等特征,进而可为近断层区域工程结构的随机地震反应和抗震可靠度分析提供合理的输入。     

日本熊本M_W 7.0地震的长周期地震动

利用日本K-NET和KiK-net强震动台网获取的距离发震断层100 km以内136个强震动台站的三分量加速度记录,研究熊本M_W7.0地震地震动的长周期特性.基于残差分析研究不同周期地震动的空间分布差异,将观测分析结果与美国NGA经验模型、汶川和芦山地震观测结果进行对比,揭示此次熊本地震近场强震动的长周期特点及其形成机理.研究结果表明:(1)虽然总体上此次地震的近场地震动水平与美国NGA-West2经验模型的预测结果接近,但周期2 s以上地震动的分布在断层不同方位有系统性差异,在断层的北东方位,周期2.0～10.0 s的反应谱高于NGA-West2经验模型的预测结果,在西南方位,谱值低于经验预测模型.(2)我们认为此次地震2.0～10.0 s的长周期地震动的空间分布差异主要受破裂方向性的影响,在破裂传播的正前方,周期T=2.0 s,3.0 s,5.0 s,7.5 s和10.0 s的加速度谱被放大到整体观测平均水平的1 4～2.0倍.从周期T=2.0 s到10.0 s,破裂向前方向的放大作用和破裂反方向的减弱作用均有所增强,此次地震观测到的速度大脉冲记录均位于断层的东北方位,这与方向性脉冲的产生机理相吻合,速度大脉冲对加速度反应谱有显著的长周期放大作用,放大倍数值可以超过4.0,放大作用的影响主要位于脉冲的特征周期T_p附近.(3)近断层记录在建筑结构敏感的周期(0.5～2.0 s)的反应谱达到芦山地震的3～6倍,虽然与芦山地震震级接近,此次地震近断层地震动破坏力大大超过了芦山M_W6.8地震,甚至超过了汶川W_W7.9地震,这种长周期特点应该引起工程抗震设计和相关研究人员的重视.     

近断层速度脉冲型地震动设计谱特征研究

选取161条速度脉冲型近断层地震动记录,采用最小二乘法拟合得到近断层地震动抗震设计Newmark三联谱,研究了震级、场地和断层类型对近断层设计谱的影响。结果表明:大震（级）相比小震（级）的影响较为显著,大震（级）下设计谱具有更宽的加速度敏感区段,中长周期段内的反应谱谱值更高;在3类断层类型中,大震（级）下逆斜断层的反应谱加速度敏感区段最宽,谱值最大。对于近断层区域的结构在大震（级）下应该考虑增大特征周期并提高设计谱谱值,还应充分考虑逆斜断层等断层类型的影响。     

脉冲型近断层地震动作用单自由度体系响应分析

近断层前方向性效应地震动含有高幅值,短持时的速度脉冲,与远场地震动相比存在显著差异。本文根据所选取的40条近断层地震波记录,用小波分析方法将原始记录分解为脉冲波部分和高频波部分,对弹性和非弹性单自由度体系进行分析,得出了以下结论:对于弹性体系,大约0.484倍的速度脉冲周期可以作为临界周期,脉冲波部分将对固有周期大于临界周期的结构的响应起主导作用,反之,高频波部分将会产生显著影响;对于非弹性体系,仅仅用等效速度脉冲方法模拟近断层地震动的计算精度将会受到延性系数?的影响,随着延性系数的增加,脉冲波部分满足精度要求的结构固有周期范围将明显缩小,并且向较低周期范围偏移;仅用等效速度脉冲模型来模拟近断层地震动具有一定的局限性。     

缺乏近断层强震观测资料地区抗震设计规范反应谱研究

根据最近几次的近断层地震观测记录研究显示，在现行结构抗震设计规范中很少考虑近断层效应的影响，对于缺乏近断层强震观测资料地区，抗震设计规范的改进方法及近断层效应的设计参数还没有统一结论. 本文基于UBC97近断层因子设计理念， 在收集世界范围内近断层观测记录的基础上，按场地和震级进行分类，建立了中长周期关键点处的加速度谱需求的衰减关系式，推导给出了缺乏近断层观测资料地区近断层影响因子的震级和断层距的关系式. 并以我国现行的建筑抗震设计规范为基础，建议了近断层影响因子的参考取值和修正后的反应谱曲线，为我国结构抗震设计提供了参考.      

Characterization of forward-directivity ground motions in the near-fault region

Ground motions close to a ruptured fault resulting from forward-directivity are significantly different than other ground motions. These pulse-type motions can place severe demands on structures in the near-fault region. To aid in the characterization of these special type of ground motions, a simplified parameterization is proposed based on a representative amplitude, pulse period, and number of significant pulses in the velocity–time history. Empirical relationships were developed for estimating the peak ground velocity (PGV) and period of the velocity pulse (T_v) of available forward-directivity motions. PGV in the near-fault region varies significantly with magnitude and distance. Additionally, the PGV for soil sites are systematically larger than those at rocks sites. T_v is a function of moment magnitude and site conditions with most of the energy being concentrated within a narrow-period band centered on the pulse period. Hence, lower magnitude events, which produce lower pulse periods, might produce more damaging ground motions for the stiff structures more common in urban areas.     

Design spectra including effect of rupture directivity in near-fault region

In order to propose a seismic design spectrum that includes the effect of rupture directivity in the near-fault region, this study investigates the application of equivalent pulses to the parameter attenuation relationships developed for near-fault, forward-directivity motions. Near-fault ground motions are represented by equivalent pulses with different waveforms defined by a small number of parameters （peak acceleration, A, and velocity V; and pulse period, Tv）. Dimensionless ratios between these parameters （e.g., ATv/V, VTv/D） and response spectral shapes and amplitudes are examined for different pulses to gain insight on their dependence on basic pulse waveforms. Ratios of ATv/V, VTv/D, and the ratio of pulse period to the period for peak spectral velocity （Tv-p） are utilized to quantify the difference between rock and soil sites for near-fault forward-directivity ground motions. The ATv/Vratio of recorded near-fault motions is substantially larger for rock sites than that for soil sites, while Tvp/Tv ratios are smaller at rock sites than at soil sites. Furthermore, using simple pulses and available predictive relationships for the pulse parameters, a preliminary model for the design acceleration response spectra for the near-fault region that includes the dependence on magnitude, rupture distance, and local site conditions are developed.     

特殊长周期地震动的参数特征研究

近断层脉冲型地震动和远场软土层场地类谐和地震动是两类特殊的长周期地震动,当前的规范均很少对这两类地震作用进行具体的规定。研究了近断层脉冲型和远场类谐和地震动的幅值、幅值比（V／A,D／V）、傅里叶幅值谱和反应谱的差别,分析了相位角和作用循环周期数对简单脉冲的影响,并用于解释两类特殊地震动的工程特征。以集集地震动为数据基础,分析了两类长周期地震动的傅里叶谱和反应谱特征;将平均加速度和位移规准反应谱分别与规范设计谱进行了比较。建议设计谱在长周期段考虑近断层作用和软土场地面波效应的影响。     

Study on equivalent velocity pulse of nearfault ground motions

Introduction By analyzing earthquake motions, we could find that earthquake motions near the causativefault have two characteristics. One is the remarkable directivity effect. The amplitude of thefault-normal component is larger than that of the fault-parallel one; the other is obvious pulse mo-tions. Bertero, et al (1977) studied the earthquake records of the 1971 San Fernando earthquake.They first pointed out that some ground motions recorded near the causative fault is characterizedb…     

Response spectrum of seismic design code for zones lack of near-fault strong earth- quake records

It was shown from the study on the recently near-fault earthquake ground motions that the near-fault effects were seldom considered in the existing Chinese seismic code. Referring to the UBC97 design concept for near-fault factors, based on the collected world-widely free-site records of near-fault earthquakes ground motions classified by earthquake magnitude and site condition, the attenuation relationship expressions of the acceleration spectrum demand at the key points within the long period and moderate period were established in term of the earthquake magnitude and the site condition. Furthermore, the near-fault factors’ expressions about the earthquake magnitude and the fault distance were deduced for the area lack of near-fault strong earthquake records. Based on the current Chinese Building Seismic Design Code, the near-fault effect factors and the modified design spectral curves, which were valuable for the seismic design, were proposed to analyze the seismic response of structures.     

Directivity pulses in near-fault ground motions—I: Identification,extraction and modeling

In ensuring structural safety against near-fault pulse-type ground motions it is of critical importance that sufficient recorded motions of this type are available and that suitable synthetic motions can be simulated for those situations where the recorded motions are insufficient or non-existent. To this end, an objective criterion is developed for the directivity pulse-type motions, to identify such motions from the available suite of recorded ground motions. This criterion is based on the value of maximum fractional signal energy contribution by any half-cycle of the velocity time-history. For the simulation of directivity pulse-type motions, it is proposed to estimate and superimpose directivity pulse(s) on a non-pulse type motion. An algorithm is developed to extract the directivity pulse features from a pulse-type accelerogram via its repetitive smoothening, and based on the pulses extracted from a database of 91 records two mathematical functions are proposed to model the directivity pulses. It is found that the amplitude and dominant Fourier period of the expected velocity pulse may be sufficient to generate the shapes of the expected acceleration and velocity pulses.